Tổng quan nghiên cứu

Dự án nâng cấp hệ thống hạ tầng giao thông kết nối giữa Thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Long An đang được triển khai mạnh mẽ với quy mô 7 tuyến đường huyết mạch, tổng mức kinh phí đầu tư vượt trên 24.000 tỷ đồng trong giai đoạn 2021–2025. Trong đó, trục đường Nguyễn Văn Bữa (huyện Hóc Môn) kết nối Đường tỉnh 824 (huyện Đức Hòa) giữ vai trò then chốt nhưng thường xuyên chịu cảnh ùn tắc nghiêm trọng tại vị trí Cầu Lớn hiện hữu với bề rộng mặt cắt chỉ đạt 8,8m và chiều dài vỏn vẹn 88m.

Nhằm giải quyết triệt để điểm nghẽn giao thông và mở rộng mặt cắt tuyến đường từ 4 làn lên 6 làn xe, đề tài nghiên cứu tập trung xây dựng phương án thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho công trình Cầu Lớn mới. Cầu được quy hoạch với tổng chiều dài 102m, bố trí theo sơ đồ 3 nhịp giản đơn liên tục nhiệt 3x34m, bề rộng toàn cầu đạt 15,4m bao gồm 12m mặt xe chạy và hai lề bộ hành mỗi bên 1,4m.

Giải pháp kết cấu phần trên sử dụng hệ dầm Super-T bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước với chiều cao sườn dầm 1,55m kết hợp bản mặt cầu bê tông đổ tại chỗ dày 18cm. Cường độ nén danh định của bê tông dầm đạt 50 MPa và tao cáp dự ứng lực 7 sợi cường độ cao 1860 MPa. Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao khi tối ưu hóa khả năng vượt nhịp 34m, giảm khoảng 20% đến 25% chi phí xây dựng bệ móng nhờ giảm tải trọng bản thân công trình, đồng thời bảo đảm an toàn khai thác bền vững trước mực nước lũ thiết kế tần suất 1% ở cao độ dương 11,0m.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ hiện hành TCVN 11823:2017 (tương đương tiêu chuẩn quốc tế AASHTO LRFD). Khung lý thuyết nền tảng xoay quanh nguyên lý thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng thông qua việc kiểm soát ba nhóm trạng thái giới hạn: Trạng thái giới hạn cường độ (Strength I, II, III), Trạng thái giới hạn sử dụng (Service I) và Trạng thái giới hạn đặc biệt chịu tải trọng va chạm xe (Extreme Event).

Mô hình tính toán áp dụng lý thuyết kết cấu dầm liên hợp bê tông - bê tông hai giai đoạn. Giai đoạn 1 xem xét dầm Super-T đơn lẻ chịu tĩnh tải bản thân dầm và tĩnh tải bản mặt cầu ướt (bê tông cấp cường độ 50 MPa). Giai đoạn 2 mô tả sự làm việc liên hợp toàn phần giữa dầm Super-T và bản mặt cầu dày 180mm (bê tông cấp cường độ 30 MPa) dưới tác dụng của tĩnh tải lớp phủ asphalt dày 70mm, tĩnh tải lan can lề bộ hành và hoạt tải khai thác HL-93. Bên cạnh đó, lý thuyết phân tích mất mát dự ứng suất toàn phần theo thời gian (bao gồm co ngắn đàn hồi, từ biến, co ngót bê tông và tự chùng cốt thép dự ứng lực) cùng mô hình nén chéo biến dạng biến đổi MCFT (Modified Compression Field Theory) được áp dụng đồng bộ để kiểm toán sức kháng cắt và xoắn của cấu kiện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu tính toán được thu thập từ hồ sơ khảo sát địa hình, địa chất 6 lớp đất tại hiện trường khoan sâu 25m và chuỗi số liệu thủy văn ghi nhận mực nước lịch sử khu vực Hóc Môn. Cỡ mẫu phân tích bao gồm 6 mặt cắt đặc trưng dọc theo chiều dài nhịp dầm tính toán 33,3m: mặt cắt tại gối (x = 0m), mặt cắt cắt khấc chuyển tiếp (x = 0,8m), mặt cắt kiểm tra lực cắt cách mép gối một khoảng dv (x = 1,468m), mặt cắt không dính bám cáp số 1 (x = 3m), mặt cắt không dính bám cáp số 2 (x = 6m) và mặt cắt giữa nhịp L/2 (x = 16,65m).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô hình hóa giải tích trên không gian thanh và dải bản phẳng. Hệ số phân bố ngang của hoạt tải xe thiết kế HL-93 và tải trọng làn được xác định thông qua quy tắc đòn bẩy cho dầm biên và công thức giải tích phân bố theo độ cứng tương đối cho dầm giữa. Để phân tích tương tác kết cấu phần dưới gồm mố trụ bê tông cốt thép và hệ móng cọc khoan nhồi đường kính 1000mm, nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn FB-Multipier nhằm xác lập ma trận độ cứng tương tác đất - cọc chính xác nhất. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ yêu cầu phải bao quát được tính phi tuyến hình học của cọc khoan nhồi trong nền đất bùn sét yếu của khu vực Tây Nam Bộ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu kiểm toán kỹ thuật từ mô hình tính toán đã mang lại nhiều kết quả định lượng chuẩn xác:

Thứ nhất, hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với mô men uốn có sự chênh lệch rõ rệt giữa các dầm chủ. Dầm giữa có hệ số phân bố mô men do xe tải thiết kế đạt 0,273 và tải trọng làn đạt 1,200; trong khi dầm biên chịu tải trọng lệch tâm và tải trọng người đi bộ 3,0 kPa có hệ số phân bố mô men xe tải lên tới 0,327 (tăng khoảng 19,7% so với dầm giữa).

Thứ hai, tổ hợp nội lực cực hạn theo Trạng thái giới hạn Cường độ I tại mặt cắt giữa nhịp cho thấy mô men uốn tính toán lớn nhất của dầm giữa đạt mức 2551,10 kNm, trong khi dầm biên đạt 2235,25 kNm. Về lực cắt, giá trị lực cắt tính toán lớn nhất xuất hiện tại mặt cắt gối đạt 319,53 kN đối với dầm biên và 297,75 kN đối với dầm giữa.

Thứ ba, bản mặt cầu dày 180mm bố trí cốt thép D16 khoảng cách 150mm (diện tích As = 1406,72 mm²) thỏa mãn tuyệt đối điều kiện chịu uốn với mô men kháng uốn danh định Mn vượt 1,45 lần mô men tính toán uốn Mu = 29,48 kNm. Ở trạng thái giới hạn sử dụng, bề rộng vết nứt được kiểm soát tối ưu với ứng suất kéo thực tế trong cốt thép chỉ đạt 53,6 MPa đến 118,14 MPa, thấp hơn giới hạn cho phép 168,0 MPa và 233,06 MPa tương ứng.

Thứ tư, kết cấu lan can bê tông cốt thép chống va cấp 4 (TL-4) với chiều cao 850mm chịu lực va ngang thiết kế 240 kN cho thấy sức kháng danh định uốn ngang RW đạt 248,4 kN, vượt ngưỡng yêu cầu khoảng 3,5%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nội lực và ứng suất được trực quan hóa thông qua các biểu đồ đường bao mô men uốn, biểu đồ bao lực cắt dọc dầm và bảng tổng hợp ứng suất bê tông qua từng giai đoạn chịu tải. Khi đối chiếu với các phương án dầm I bê tông cốt thép dự ứng lực truyền thống, giải pháp dầm Super-T căng trước khẩu độ 34m thể hiện ưu thế vượt trội về độ cứng chống xoắn nhờ cấu tạo mặt cắt dạng hình máng chữ U kín dần khi đổ bản liên hợp.

Khối lượng bê tông dầm trên một mét vuông mặt cầu giảm khoảng 18% so với phương án dầm bản rỗng, đồng thời giảm đáng kể số lượng dầm chủ trên mặt cắt ngang xuống còn 7 phiến dầm với khoảng cách tim dầm 2,2m. Việc bố trí các đoạn cáp không dính bám tại vị trí 3m và 6m tính từ gối cầu đã kiểm soát hiệu quả ứng suất kéo xuất hiện ở thớ trên đầu dầm trong giai đoạn thi công cắt truyền dự ứng lực, giữ ứng suất nén bê tông luôn dưới ngưỡng cho phép 0,60f'c (tương đương 30 MPa). Các bảng tính kiểm toán độ võng dài hạn có xét đến hệ số từ biến cho thấy độ vồng dầm khi chế tạo triệt tiêu dần sau khi đặt tải bản mặt cầu, mang lại độ dốc êm thuận 2% theo phương ngang cầu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán chi tiết, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật mang tính thực tiễn cao:

  1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo dầm Super-T tại bãi đúc công xưởng: Đơn vị thi công cần kiểm soát nghiêm ngặt cấp phối bê tông cường độ cao 50 MPa và lực căng kéo ban đầu của các tao thép D15,2mm (fpu = 1860 MPa). Quá trình cắt truyền dự ứng lực chỉ được tiến hành khi cường độ nén bê tông dầm đạt tối thiểu 80% cường độ thiết kế (khoảng 40 MPa) nhằm triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ nứt tế vi vùng đầu dầm. Thời gian bảo dưỡng ẩm tiêu chuẩn cần duy trì tối thiểu 7 ngày liên tục.

  2. Áp dụng công nghệ thi công cọc khoan nhồi D1000mm có kiểm soát dung dịch khoan: Chủ đầu tư và tư vấn giám sát cần chỉ đạo thi công hệ móng cọc khoan nhồi sâu 25m xuyên qua các lớp bùn sét yếu đến ngàm vào tầng cát cuội sỏi chặt. Cần kiểm soát chặt chẽ cao độ hố móng và mực nước ngập theo tần suất thủy văn 5% (+9,0m) để bảo đảm vách hố khoan không bị sạt lở.

  3. Triển khai đồng bộ hệ giải pháp chống thấm và thoát nước mặt cầu: Nhà thầu cần xử lý triệt để bề mặt bản bê tông 18cm bằng lớp phòng nước ngoại nhập Radcon #7 trước khi thảm lớp bê tông nhựa asphalt dày 70mm. Giải pháp này giúp ngăn ngừa 100% hiện tượng thấm dột axít và muối khoáng ăn mòn cốt thép trong điều kiện khí hậu có độ ẩm bình quân năm lên tới 78%.

  4. Thiết lập hệ thống trắc đạc quan trắc độ võng định kỳ: Đơn vị quản lý khai thác cần xây dựng mốc chuẩn quan trắc độ võng và độ mở rộng vết nứt kết cấu nhịp sau 3 tháng, 6 tháng và 12 tháng thông xe. Mục tiêu duy trì độ võng đàn hồi dưới hoạt tải khai thác luôn nhỏ hơn giới hạn nghiêm ngặt L/800 (tương đương 41,6mm đối với nhịp tính toán 33,3m).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại nguồn kiến thức chuyên sâu và dữ liệu thiết kế có giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư thiết kế cầu đường: Tiếp cận trọn bộ thuật toán tính toán đặc trưng hình học tiết diện phức hợp, phương pháp xác định hệ số phân bố hoạt tải theo làn của dầm Super-T và bảng tính chi tiết các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017.

  • Đơn vị quản lý dự án và tư vấn giám sát: Nắm bắt các mốc kiểm soát chất lượng trọng yếu trong thi công cọc khoan nhồi đường kính 1000mm, kiểm soát lực căng kéo cáp dự ứng lực và nghiệm thu kết cấu lan can chống va xe cấp TL-4.

  • Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông: Sử dụng tài liệu làm bài giảng mẫu, đồ án mẫu chuẩn mực phục vụ học phần Thiết kế cầu bê tông cốt thép và Đồ án tốt nghiệp đại học, cao học.

  • Nhà thầu thi công cầu đường và nhà máy sản xuất cấu kiện đúc sẵn: Tham khảo quy trình tổ chức mặt bằng bãi đúc dầm nhịp lớn 34m, biện pháp cẩu lắp dầm an toàn và kỹ thuật bố trí cốt thép chống nứt bản mặt cầu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao dầm Super-T khẩu độ 34m lại được ưu tiên lựa chọn cho công trình Cầu Lớn? Dầm Super-T nhịp 34m có độ cứng chống xoắn vượt trội, diện tích ván khuôn giảm đáng kể và giảm được khoảng 18% trọng lượng kết cấu phần trên so với dầm chữ I truyền thống, giúp hạ giá thành xây dựng mố trụ trong điều kiện địa chất bùn sét yếu tại Hóc Môn.

Việc tính toán phân bố tải trọng ngang theo TCVN 11823:2017 có điểm gì khác biệt so với tiêu chuẩn cũ? Tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 áp dụng công thức giải tích tính đến độ cứng uốn và độ cứng chống xoắn tương đối của tiết diện dầm liên hợp, phản ánh chính xác hệ số phân bố mô men giữa nhịp đạt 0,273 thay vì các giả định phân phối tĩnh định đơn giản trước đây.

Bản mặt cầu dày 18cm được kiểm toán như thế nào để tránh nguy cơ nứt gãy? Bản mặt cầu được kiểm toán mô men uốn dương và âm với lưới thép D16a150 dưới tác dụng của tải trọng trục bánh xe nặng 145 kN có xét hệ số xung kích 33%. Ứng suất kéo thực tế trong thép đạt 53,6 MPa, thấp hơn giới hạn chống nứt khắc nghiệt 233,06 MPa.

Lan can bê tông cấp TL-4 trên cầu đáp ứng tiêu chuẩn an toàn ra sao? Lan can được thiết kế cao 850mm, tính toán chịu tải trọng va chạm danh định 240 kN theo phương ngang. Cơ cấu nứt chảy dẻo của tường cánh cho sức kháng thực tế 248,4 kN, đảm bảo an toàn tuyệt đối ngăn xe tải văng khỏi cầu.

Ứng dụng của phần mềm FB-Multipier trong phân tích móng mố trụ là gì? FB-Multipier cho phép mô hình hóa phi tuyến không gian tương tác phi tuyến giữa đài cọc, nhóm cọc khoan nhồi D1000mm và 6 lớp đất nền chịu tải trọng tổ hợp thẳng đứng, lực ngang và mô men uốn từ thân mố trụ truyền xuống.

Kết luận

  • Luận văn hoàn thiện bản thuyết minh và giải pháp kỹ thuật thiết kế hoàn chỉnh cho công trình Cầu Lớn nhịp 3x34m dầm Super-T căng trước theo đúng quy chuẩn TCVN 11823:2017.
  • Xác lập chi tiết các đặc trưng hình học, tính toán phân bố nội lực cho 7 phiến dầm chủ liên hợp và hệ móng cọc khoan nhồi D1000mm ngàm sâu 25m.
  • Chứng minh tính kinh tế và an toàn kỹ thuật cao khi kiểm soát ứng suất uốn, nén, cắt và chống nứt ở tất cả các trạng thái giới hạn thiết kế.
  • Cung cấp sơ đồ công nghệ tổ chức thi công đúc dầm công xưởng và cẩu lắp nhịp an toàn, thích ứng điều kiện thủy văn ngập lũ phức tạp.
  • Đóng góp nguồn tư liệu tham khảo học thuật và thực tiễn quý giá cho tiến trình nâng cấp hạ tầng kết nối TP.HCM – Long An đến năm 2025. Các kỹ sư và chuyên gia quan tâm nên nghiên cứu áp dụng mô hình này vào các dự án cầu vượt nhịp trung bình tương tự.